TORRES EÓLICAS EM CONCRETO

Engenheiro Civil: Marcelo Correia Alcântara Silveira

Cadeira No 38–Academia Cearense de Engenharia

Autor para Correspondência: Marcelo Silveira – e-mail: md@md.eng.br

RESUMO

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ABSTRACT

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Caso deseje: escreva o Resumo que fico responsável pelo Abstract

Additional Kea words:

INTRODUÇÃO

A energia eólica no Brasil teve seu início na década de 1990, tendo uma crescente

participação na matriz energética brasileira desde 2009. O Nordeste Setentrional brasileiro

situa-se ao lado das melhores áreas do centro-norte da América do Norte, Europa

Setentrional e do interior da China, quanto ao potencial eólico, próximo a áreas de consumo

elétrico. As maiores velocidades médias anuais de vento são encontradas nos litorais do Rio

Grande do Norte e do Ceará, com combinações das brisas marinhas diurnas com os ventos

alísios de leste-sudeste, o que resulta em velocidades dos ventos, com médias anuais entre 6

m/s e 9 m/s (Figura 1).

A energia eólica ainda guarda características muito interessantes, com respeito ao

seu potencial, tal como a reduzida variabilidade durante o ano da geração eólica,

consideravelmente menor que a variabilidade das afluências naturais dos rios brasileiros,

afetando a geração da energia de base hídrica.

A crescente demanda por turbinas eólicas de maiores potencia, necessitou de torres

de maiores alturas, o que possibilitou a viabilização econômica e técnica das torres de

suporte dos aerogeradores em concreto, superando as torres tradicionalmente metálicas,

treliçadas ou tubulares.

Figura 1 – Velas de kitesurf no litoral do Ceará

HISTÓRICO DA ENERGIA EÓLICA NO BRASIL

A primeira turbina eólica instalada no Brasil foi em julho de 1992, no arquipélago de

Fernando de Noronha, com um gerador assíncrono trifásico de 75 kW de potência, sobre

uma torre treliçada de 23 m de altura e 17 m de diâmetro de rotor. O empreendimento foi

fruto de uma parceria da Companhia Energética de Pernambuco (Celpe), com o grupo de

energia eólica da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) e o Folkcenter, Instituto de

Pesquisas Dinamarquês, que financiou o projeto.

Em 1994, foram implantadas três máquinas na Praia Mansa, no Mucuripe, em

Fortaleza, de fabricação da alemã TAC, com potência de 300 kW, sobre torres metálicas de

35 m de altura e 33 m de diâmetro de rotor. O Projeto Eldorado, responsável por referido

parque eólico, foi fruto de uma parceria do governo alemão com a Cemig/Coelce/Chesf.

Também em 1994, ainda ligado ao Projeto Eldorado, uma usina eólica experimental foi

inaugurada no Morro do Camelinho, em Minas Gerais, onde foram instaladas quatro

turbinas de 250 kW, em torre metálica de 30 m de altura com diâmetro de rotor de 26 m.

Em 2000, foi instalada uma segunda turbina eólica no arquipélago de Fernando de

Noronha, na região de Porto de Santo Antônio, usando uma turbina de fabricação da

Norueguesa Vestas, com potência de 225 kW sobre uma torre metálica de 32,46 m de altura e

diâmetro de rotor de 26 m.

Em janeiro de 1999 foi inaugurado em São Gonçalo do Amarante, na Praia da Taiba,

um parque eólico da alemã Wobben-Enercon, com dez aerogeradores de potência de 500 kW,

sobre torres metálicas de 45 m e diâmetro de rotor de 40 m. Em abril deste mesmo ano, foi

inaugurado o parque eólico da Prainha, em Arquiraz, com 20 aerogeradores do mesmo tipo.

Estes dois parques resultaram de licitação promovida pela Coelce, que previa fornecimento

de energia até 2015. Em 2002 foi inaugurado o segundo parque eólico da Praia Mansa, no

Mucuripe, em Fortaleza, substituindo as antigas máquinas da TAC, que foram desativadas e

retiradas. O novo parque eólico utilizou aerogeradores da Wobben-Enercon, do mesmo tipo

dos utilizados nos parques eólicos da Taiba e da Prainha.

Seguiram-se parques eólicos por outras regiões do Brasil. Na região sul, o primeiro

parque eólico começou suas atividades em 1999, sendo composto por cinco turbinas de 500

kW da Wobben-Enercon, sobre torres metálicas de 45 m de altura e diâmetro de rotor de 40

m. Em abril de 2002, foi inaugurado o primeiro parque eólico de Santa Catarina, com

potência instalada de 600 kW, no município de Bom Jardim da Serra, com máquinas

Wobben- Enercon.

Em dezembro de 2003, a Petrobrás iniciou a operação do parque eólico de Macau,

no Rio Grande do Norte, utilizando três aerogeradores de 0,6 MW, modelo Enercon E-40.

A partir de então, o crescimento da energia eólica no Brasil tem sido crescente.

Figura 2 – Central Eólica da Taíba – São Gonçalo do Amarante, Ceará

Figura 3 – Central Eólica da Prainha – Aquiraz, Ceará .

Comentado [A1]:

Comentado [A2]:

Comentado [U3R2]:

Figura 4 – Central Eólica da Praia Mansa – Fortaleza, Ceará

Figura 5 – Primeira turbina eólica de Fernando de Noronha

Figura 6 – Central Eólica do Morro do Camelinho – Gouveia, MG

Comentado [A4]: Idem

Comentado [A5]:

A INDÚSTRIA DO VENTO NO MUNDO

As energias de fontes renováveis têm se desenvolvido devido às questões ambientais, e a

energia eólica, de fato, é a que mais cresce no mundo, já sendo uma alternativa consolidada.

A potência instalada atualmente em escala mundial gira em torno de 500.000 MW, enquanto

que em 2011 era de 200.000 MW, prevendo-se para 2020 aproximadamente 1.100.000 MW,

observando-se, portanto, um crescimento acelerado, de acordo com a Consult A Part of

Navigan Consulting (BTM) (Figura 7). A diretiva européia sobre energias renováveis (RED-

Renewable Energy Directive), que se encontra em vigor desde junho de 2009, estabelece uma

meta obrigatória de 20% de energia renovável no consumo final europeu em 2020. Vários

países têm se mobilizado no sentido de cumprir suas metas, enquanto outros ainda não

entregaram seus planos. A Dinamarca espera alcançar em 2020, 52% do total de seu consumo

de eletricidade, através de fontes renováveis, onde 60% destas fontes serão de energia eólica.

Os seus planos em longo prazo é chegar ao patamar de 100% de energia renovável na matriz

energética do país. Todas estas ações se refletem em tendências para o uso da energia eólica

em todos os outros países do mundo.

Figura 7 – Crescimento da energia eólica no mundo

Para atender à crescente demanda por energia proveniente do vento, ao longo dos

últimos anos, a potência das turbinas tem aumentado, como se pode constatar na Figura 8,

onde se demonstra o crescimento do uso de aerogeradores de potência cada vez mais alta. Se

em 2003 aproximadamente 60% das turbinas tinha potência 0.75 a 1.5 MW, em 2012 estas

turbinas não representavam mais de 15% das máquinas instaladas. Neste mesmo ano, as

turbinas com potência entre 1.5 e 2.5 MW já representavam 70% das máquinas instaladas, já

surgindo máquinas superiores a 2.5 MW com até 10% de instalação, com tendência ao seu

crescimento nos próximos anos.

Figura 8 – Perfil da potência das turbinas ao longo dos anos

CONCEITOS BÁSICOS SOBRE A ENERGIA DOS VENTOS

A energia eólica é a energia cinética do ar em movimento. Como encontrar um modelo

matemático-físico, visando estudar e obter meios de absorver a energia do vento? Qual a

potência do vento? De acordo com a Figura 9, podemos observar que a energia do vento é

proporcional ao quadrado do diâmetro do rotor e ao cubo da velocidade do vento. Isto

significa que se o vento aumentar sua velocidade em apenas 10%, a potência disponível

aumenta em 33%. Se o vento duplicar o valor de sua velocidade, a potência aumentará em

oito vezes.

Figura 9 – A equação da energia do vento

FATORES FUNDAMENTAIS PARA PRODUÇÃO EÓLICA

A indústria da energia dos ventos procura então por locais onde se pode captar os melhores

ventos. Desta maneira, os aerogeradoes devem ser montados em torres com altura suficiente

para alojar grandes turbinas e que possam ser instalados rotores de diâmetros tais que

possam gerar energia suficiente para que seu custo seja competitivo, com as energias de

outras origens.

Desta maneira, de acordo com a Figura 10, os parques eólicos buscam maiores

alturas para o hub (eixo do rotor) e com maiores diâmetros.

Figura 10 – Altura do aerogerador e diâmetro do rotor

TORRES EM CONCRETO – O POR QUE DO SEU USO

Ao longo dos últimos anos, a tendência do aumento da altura das torres e da potência dos

aerogeradores propiciou o uso das torres em concreto como melhor alternativa técnica e

econômica. As razões técnicas são várias, tais como custo de manutenção reduzido, maior

flexibilidade de construção e projeto, visto que o concreto é um material moldável, melhor

resposta dinâmica, em razão de tais torres apresentarem menor vibração e fadiga de

materiais, em comparação com torres em aço de dimensões semelhantes, melhor

possibilidade de transporte por permitir soluções em aduelas de dimensões reduzidas e a

possibilidade das usinas de pré-fabricados ser facilmente adaptadas para fabricação de

diferentes tipos de torres (Figura 11).

Figura 11 – Razões téncias para o uso de torres em concreto

O preço do aço no mercado internacional se elevou substancialmente

principalmente pelo alto consumo dos chineses nos últimos anos, fazendo com que as torres

de aço de parede dupla, que são as torres com altura superior à 100 m perdessem

competitividade, em frente às suas similares em concreto. Desta forma, as torres em concreto

com alturas acima de 100 m têm se mostrado mais competitivas, do que as em aço com igual

altura (Figura 12).

Figura 12 – Razões econômicas para o uso de torres em concreto

A Figura 13 apresenta o panorama da energia eólica como um mercado onde cada

vez se utiliza maiores turbinas e mais altas torres, em função do crescente aumento dos

rotores acoplados em máquinas com potência cada vez maiores.

Figura 13 – Altura das torres utilizadas ao longo dos anos

TORRES EM CONCRETO – O PROJETO ESTRUTURAL

Alguns parâmetros são fundamentais para o projeto de uma torre em concreto para apoio de

aerogeradores. A definição da geometria de uma torre está condicionada a vários itens que a

governam (Figura 14).

Figura 14 – Definições fundamentais para o projeto de uma torre em concreto

Como a torre é composta por segmentos pré-fabricados, que são montados no local

de implantação da torre, resultando em uma estrutura única, é de fundamental importancia

o projeto das juntas, para que estas trabalhem ao longo de sua vida útil de forma eficiente. A

frequencia natural da estrutura da torre deve ser tal, que atenda às condições especificadas

pelo fabricante da turbina, de forma que o seu regime de trabalho seja o ideal. A maioria dos

fabricantes de turbinas eólicas especifica a frequencia de uma torre entre 0,25 a 0,40 Hz. Não

é importante o valor do deslocamento do topo da torre, sendo parametro determinante a

frequencia da torre para o bom funcionamento da turbina. Quando ocorre de uma torre não

atender aos requisitos do fabricante, a turbina para de funcionar, ocacionando prejuizos

tremendos para a produção da energia, pois exige que correções sejam feitas na estrutura, de

maneira a adequar a torre para os parâmetros exigidos.

As Normas internacionais (CEB-Fib, IEC-61.400) e as Normas brasileiras da ABNT

exigem que sejam feitas verificações de segurança para os Estados Limites Último e de

Serviço, ELU e ELS, respectivamente. Para o Estado Limite Último (ELU) são feitas as

verificações para as cargas que provocam o colapso da estrutura e para o Estado Limite de

Serviço (ELS), onde diferenciam-se as cargas extremas, que tem um período de recorrencia

de 50 anos das cargas frequentes, que tem um período de recorrencia de um ano.

Outra verificação de extrema importancia é da fadiga dos materiais (concreto e aço)

onde é verificado pelo criterio do acúmulo do dano provocado pelas cargas cíclicas de

origem dinâmica, da ação do vento sobre o aerogerador.

Uma observação curiosa é que nos projetos de estruturas correntes, tais como

pontes, viadutos e passarelas, onde se aplicam cargas cíclicas, provenientes dos veículos e

das pessoas, o dimensionamento é feito inicialmente verificando-se os ELU e ELS, e

posteriomente conferindo-se a fadiga dos materiais, onde normamente poucos ajustes são

feitos, no dimensionamento para atender aos critérios de fadiga dos materiais. Por outro

lado, no dimensionamento de torres eólicas, o dimensionamento está inicialmente

condicionado ao ELS e à fadiga, e por último é que se verifica o ELU sendo, portanto, as

condicionantes para o dimensionamento, os dois primeiros, em oposição às estruturas

correntes. A Figura 15 resume a fluxo de trabalho para o projeto estrutural para uma torre

em concreto, para apoio de aerogeradores.

Figura 15 – Fluxograma adotado para o projeto de uma torre

A Figura 16 apresenta os dados necessários fornecidos pelo fabricante das

turbinas, para o desenvolvimento do projeto estrutural.

Figura 16 – Dados fornecidos pelo fabricante de turbinas

Após a confirmação da geometria com o atendimento à frequência natural da torre,

com as especificações do fabricante da turbina, a Protensão aplicada à estrutura da torre

deverá ser tal que não permita “gaps” nas juntas entre as diversas aduelas, de maneira a

reduzir o risco de fadiga na torre. A Figura 17 resume esta sequência.

Figura 17 – A Protensão da torre

O Complexo Eólico de Icaraí, de Amontada e da praia da Taíba, com torres de 100 m

de altura e aerogeradores de marca Suzlon, modelo S95 de 2.5 MW, da Queiroz Galvão

Energias Renováveis, utilizou torres pré-fabricadas em concreto protendido projetadas pela

MD Engenheiros Associados, que recebeu Menção Honrosa do Prêmio Talento Engenharia

Estrutural de 2016, categoria Obras Especiais, que é uma honraria atribuída aos melhores

projetos do ano, no Brasil e cuja organização é a cargo da Associação Brasileira de Engenharia

Consultiva de Estruturas (ABECE) e do Grupo GERDAU, como reconhecimento aos melhores

projetos nacionais. A Figura 18 apresenta o esquema estrutural desta torre.

Figura 18 – Esquema estrutural das torres do Parque Eólico de Icaraí de Amontada

A Figura 19 mostra uma torre do Complexo Eólico de Icaraí de Amontada em fase

final de montagem.

Figura 19 – Torre de 100 m do Complexo Eólico de Icaraí de Amontada

A Figura 20 apresenta os dados técnicos do Complexo Eólico de Amontada.

Figura 20 – Complexos Eólicos de Icaraí de Amontada e Taíba

As Figuras 21 e 22 mostram as torres dos Complexos Eólicos de Icaraí de Amontada

em processo de montagem.

Figura 21 – Torre em início de montagem

Figura 22 – Torre em processo de montagem

Figura 23 – Alguns dados relevantes da torre de 100 metros

As Figuras 24 a 29 apresentam detalhes de formas e armaduras das torres de 100 m

dos Complexos Eólicos de Icaraí de Amontada e da Taíba.

Figura 24– Detalhe da aduela da base da torre com porta de acesso

Figura 25 – Detalhe de uma aduela intermediária da torre

Figura 26 – Detalhe da aduela do topo da torre

Figura 27 – Armadura da primeira laje de transição

Figura 28 – Detalhe das lajes de transição com as ancoragens de cabos de Protensão

Figura 29 – Detalhe de uma junta entre aduelas

As Figuras 30 e 31 apresentam o resumo de quantitativos da torre e da fundação,

respectivamente.

Figura 30– Quantitativos da torre de 100 metros.

Figura 31– Quantitativos da fundação para a torre de 100 metros.

Figura 32– Detalhe da fundação para a torre de 100 metros

Figura 33– Detalhe da ligação fundação-aduela da base para a torre de 100 metros .

Figura 34 – Concretagem da fundação .

Figura 35 – Torre montada com aerogerador no seu topo .

Figura 36 – Parque Eólico da Taíba em funcionamento

Figura 37 – Parque Eólico da Taíba em funcionamento

O ESTADO DA ARTE

O projeto estrutural das torres em concreto dos Complexos Eólicos de Icaraí de Amontada e

da Taiba apresentou-se como uma solução técnica aprovada, tendo sido certificado pela

BRTUV. Foi uma solução economicamente competitiva, no ano de sua implantação. Para

fazer jus à sua origem cearense, foi batizada e ficou conhecida com o título de Bolo de Noiva,

devido a sua semelhança com os bolos que estão presentes nas cerimônias de casamento.

A ferrenha competição internacional, no segmento de energia eólica, onde se busca

continuamente a redução de todos os custos nos insumos da cadeia, fez com que os

projetistas e fabricantes investissem em otimização dos seus projetos. Projetos franceses,

holandeses, espanhóis, alemães, dinamarqueses, americanos, entre outros, procuram

continuamente soluções mais competitivas, visando ainda, alcançar alturas de torres cada

vez maiores.

Desta maneira, a MD Engenheiros vem estudando a evolução do projeto do “Bolo

de Noiva”. Dois novos projetos de torres de concreto com paredes mais esbeltas e com

Protensão externa às paredes estão em curso, estando aptos a serem usados nos novos

complexos eólicos que estão a surgir. Basicamente as novas torres dispensam as lajes de

transição e esta função passa e ser delegada para os segmentos de transição, que são aduelas

em formato de tronco de cone, reduzindo substancialmente o volume de concreto e o peso

do elemento de transição. Os cabos externos às paredes são em cordoalhas de aço encerados,

protegidos por bainhas plásticas extrusadas, semelhantes aos cabos usados nos estais de

pontes, sem necessidade de bainhas metálicas e nem da injeção de calda de cimento. Além

disso, os cabos não são únicos de base ao topo da torre, o que facilita a sua montagem e

reduz o seu consumo.

Nos próximos anos, a tendência de torres cada vez mais altas indica para nova

geração de turbinas de potência superiores a 3.0 MW montadas sobre torres monumentais

com altura de 140 m.

A paisagem das praias, campos e montanhas serão gradativamente marcadas pelas

silhuetas destas estruturas fantásticas, produzindo energia elétrica limpa e totalmente

renovável.

A Natureza agradece à Engenharia e seus Engenheiros.

Figura 38– Um belo pôr do sol em um parque eólico